顧威，李宏男，孫國(guó)帥

（1.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校公路工程質(zhì)量檢測(cè)中心，遼寧沈陽(yáng) 110122；2.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116026）

鋼管混凝土作為一種承壓構(gòu)件在中國(guó)已被廣泛應(yīng)用于工民建、橋梁等土木工程領(lǐng)域.當(dāng)鋼管受到較大腐蝕或受到外力損傷時(shí)，鋼管混凝土承載力會(huì)大大縮減，將給結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全隱患.目前除了本課題組［1－7］外，已有多位國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行了研究，如Tao等［8－9］對(duì)該構(gòu)件軸壓柱的力學(xué)行為進(jìn)行了分析；肖巖等［10］利用CFRP對(duì)鋼管混凝土的節(jié)點(diǎn)等部位進(jìn)行了局部加強(qiáng).本文在CFRP鋼管混凝土構(gòu)件的基礎(chǔ)上，提出利用CFRP對(duì)受損的鋼管混凝土進(jìn)行加固，考察加固前后其承載力變化情況，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的加固開辟一個(gè)新的方向.

1 試驗(yàn)研究

在鋼管中部外表面用機(jī)床對(duì)鋼管進(jìn)行車削，利用機(jī)械加工削弱鋼管的壁厚來(lái)模擬鋼管受到的腐蝕和損傷情況.對(duì)比纏繞CFRP 前后受損鋼管混凝土的荷載－應(yīng)變曲線和極限承載力，來(lái)考察CFRP 對(duì)受損鋼管混凝土的加固效果.為此，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了8個(gè)試件，其構(gòu)造示意圖見圖1.

圖1 試件示意圖Fig.1 Diagram of specimen

1.1 試件參數(shù)

鋼管原壁厚T 為4.5 mm，鋼管外徑D 為114mm.將試件中間部位進(jìn)行車削加工，其削弱高度H 為鋼管長(zhǎng)度L 的1／10，試件按照鋼管的長(zhǎng)細(xì)比λ（λ＝4L／D）分為4組，所有試件削弱深度t均為1 mm.對(duì)鋼管加固的CFRP 為內(nèi)外2層，內(nèi)層CFRP高度Cn為鋼管削弱部位的高度H，外層CFRP高度Cw為300mm，8組試件的具體參數(shù)見表1.試件參數(shù)選取時(shí)充分參考了CFRP 鋼管混凝土軸壓長(zhǎng)柱試驗(yàn)研究［3］，由于承載力差別不大，故整合了長(zhǎng)度在1m 以內(nèi)的試件，去掉了長(zhǎng)度在2m 以上的試件.

鋼管下部焊接鋼板，使之垂直立于地面，在其中灌注混凝土，上部采用鋼板挖槽扣在鋼管上，以防止焊接對(duì)核心混凝土造成傷害.核心混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C40，配合比m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）＝0.380∶1∶1.045∶2.121.28d混凝土試塊抗壓強(qiáng)度為46.50MPa.

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

CFRP的力學(xué)性能見表2.采用遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院研制生產(chǎn)的JGN－C建筑結(jié)構(gòu)黏合劑和JGNP建筑結(jié)構(gòu)黏合劑作為黏侵膠和底膠，黏接方式為纖維布搭接黏接，搭接長(zhǎng)度為150mm，以便保證黏接質(zhì)量.

表2 CFRP的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of carbon fiber reinforced plastics

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)擬考察被CFRP加固前后的受損鋼管混凝土的力學(xué)性能.參考文獻(xiàn)［3］，長(zhǎng)細(xì)比λ為15的軸壓短柱破壞形式屬于強(qiáng)度破壞，下端采用壓力機(jī)下方的球鉸支撐，上端利用壓力機(jī)的鋼梁作為固端支撐；除長(zhǎng)細(xì)比λ為15的另外3種試件都屬于失穩(wěn)破壞，均采用上端為刀鉸、下端為球鉸的支撐方式（見圖2）來(lái)模擬失穩(wěn)破壞形式.

1.3 加載制度

試驗(yàn)在遼寧省交通高等專科學(xué)校結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室的1000t壓力機(jī)上進(jìn)行.試驗(yàn)時(shí)將試件直接放在壓力機(jī)上，為準(zhǔn)確測(cè)量試件各部分材料的應(yīng)變，在每個(gè)試件鋼管外壁中截面處沿周長(zhǎng)均布4對(duì)縱向和環(huán)向電阻應(yīng)變片，在CFRP 外壁中截面處沿周長(zhǎng)方向均布4個(gè)環(huán)向應(yīng)變片，沿試件撓度方向還設(shè)置了位移計(jì)以測(cè)定試件的撓度變形.試驗(yàn)采用分級(jí)加載制，在彈性范圍內(nèi)，每級(jí)荷載為預(yù)計(jì)荷載的1／10，持荷時(shí)間約為3min，接近破壞時(shí)，改為慢速連續(xù)加載.

1.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

1.4.1 軸壓短柱試驗(yàn)

圖2 加載示意圖及裝置圖Fig.2 Schematic of loading device

長(zhǎng)細(xì)比λ為15的試件，其破壞形式屬于強(qiáng)度破壞，在試驗(yàn)過(guò)程中試件破壞呈現(xiàn)明顯強(qiáng)度破壞特征.未纏繞CFRP的試件在荷載達(dá)到極限荷載的70%左右時(shí)，在被削弱的鋼管處出現(xiàn)滑移曲線.荷載達(dá)到1030kN 時(shí)鋼管表面出現(xiàn)可見變形；載荷達(dá)到極限時(shí)，削弱部位屈曲變形明顯，此時(shí)鋼管縱向應(yīng)變?yōu)?972×10－6.

對(duì)于纏繞CFRP的試件，當(dāng)荷載達(dá)到360kN 時(shí)可聽到纖維輕微斷裂聲，這表明CFRP 局部發(fā)生斷裂；當(dāng)荷載達(dá)到1132kN 時(shí)CFRP 發(fā)出響聲；載荷達(dá)到1160kN 時(shí)上部鋼管出現(xiàn)明顯變形；荷載達(dá)到1250kN 時(shí)CFRP 發(fā)生爆裂，荷載出現(xiàn)小范圍降低.由于鋼管約束系數(shù)較大，在達(dá)到極限荷載后并未出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì).

圖3為纏繞CFRP試件與未纏繞試件在加載后的照片，其中unit 1為未纏繞試件加載后破壞照片，unit 2為用CFRP加固后的試件破壞照片.

圖3 典型試件破壞照片F(xiàn)ig.3 Photograph of typical failed specimens

1.4.2 軸壓中長(zhǎng)柱試驗(yàn)

對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比λ為42，52和63的3類試件試驗(yàn)現(xiàn)象統(tǒng)一進(jìn)行描述.

未纏繞CFRP試件的試驗(yàn)現(xiàn)象：加載初始階段荷載與試件縱向應(yīng)變關(guān)系呈線性上升趨勢(shì)，且趨勢(shì)平穩(wěn)，從側(cè)向位移計(jì)能夠觀察到的試件側(cè)位移很小，整個(gè)試件變形和鋼管表面變化不明顯；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的60%～70%時(shí)，試件開始出現(xiàn)可見側(cè)向撓曲變形，不過(guò)變形量依然不大；隨著荷載增加直到接近極限荷載時(shí)，試件的側(cè)向撓曲程度開始迅速增大，試件發(fā)生失穩(wěn)破壞.

纏繞CFRP 試件的試驗(yàn)現(xiàn)象：加載的初始階段荷載與應(yīng)變關(guān)系等特征與未纏繞CFRP 試件相似，偶爾能聽見纖維的局部輕微斷裂聲音；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的60%～70%時(shí)，試件開始出現(xiàn)側(cè)向撓曲變形；荷載達(dá)到極限荷載的90%時(shí)，出現(xiàn)CFRP 的脆斷響聲，試件的側(cè)向撓曲程度開始迅速增大，荷載增加速度變慢，試件的失穩(wěn)破壞形式明顯.

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

圖4為各試件的荷載與試件縱向應(yīng)變關(guān)系曲線圖，由圖4可以看出：（1）利用CFRP 材料對(duì)試件進(jìn)行加固后，試件的極限承載力有所增加，且試件越短，增加效果越明顯，隨著試件長(zhǎng)度的增加，該趨勢(shì)逐漸減弱；（2）400mm 試件的極限承載力和彈性模量都高于1200mm 試件，由此可見，試件的長(zhǎng)細(xì)比對(duì)于試件的極限承載力和彈性模量有很大影響；（3）400mm試件受CFRP 加固后，被削弱部分達(dá)到極限承載力后，整個(gè)試件的持荷狀態(tài)依然穩(wěn)定，與鋼管約束系數(shù)較大的鋼管混凝土的荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線相類似［3］，達(dá)到極限承載力后荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線仍保持上升趨勢(shì)；而未加固試件的關(guān)系曲線則與鋼管約束系數(shù)小的鋼管混凝土的荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線類似，達(dá)到極限狀態(tài)后關(guān)系曲線下降趨勢(shì)明顯，這說(shuō)明受損鋼管混凝土利用CFRP加固后鋼管力學(xué)性能得到良好改善，即使在CFRP 斷裂后試件的力學(xué)性能仍然可以保持良好狀態(tài)；（4）1200mm 試件和1500mm試件用CFRP 材料加固后彈性模量明顯增加，極限承載力增加不明顯，而對(duì)于1800mm 試件來(lái)說(shuō)，彈性模量與極限承載力的增加只是局部明顯，表明隨著試件長(zhǎng)細(xì)比λ的加大，受損鋼管混凝土利用CFRP材料的加固效果越來(lái)越不顯著.

圖4 各試件荷載－縱向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Curves of load－deformation

2 理論計(jì)算

用CFRP材料加固的受損鋼管混凝土試件與CFRP鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能相似，鋼管厚度可取為受損后鋼管的實(shí)際壁厚.因此對(duì)于采用CFRP加固的受損鋼管混凝土軸壓試件的極限承載力可依照CFRP鋼管混凝土構(gòu)件的極限承載力公式（1）進(jìn)行計(jì)算［1］：

對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比λ較大的試件采用式（2）進(jìn)行計(jì)算［3］：

表3 計(jì)算結(jié)果Table 3 Results

3 結(jié)論

（1）CFRP可以提高受損鋼管混凝土的極限承載力和彈性模量，且提高幅度隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加而減小，是一種可以應(yīng)用于受損鋼管混凝土的加固方法.

（2）在理論分析中應(yīng)用已有的CFRP 鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的承載力公式對(duì)加固受損的鋼管混凝土極限承載力進(jìn)行計(jì)算，并與試驗(yàn)值相比較后發(fā)現(xiàn)，兩者吻合良好.

（3）利用CFRP對(duì)受損鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固是一種可行的加固方法，且該加固方法拓寬了CFRP鋼管混凝土構(gòu)件的應(yīng)用范疇.

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